在实现“碳达峰”和“碳中和”背景下，加快构建清洁低碳安全高效的能源体系，对于保障国家能源安全和助力实现“双碳”目标具有重要意义。我国页岩气资源十分丰富，是向低碳能源转型的重要战略资源。近年来，超临界CO₂流体压裂特性和优势逐渐显现，超临界CO₂不仅可以强化页岩气开采效果，还能够就地封存CO₂和实现开采过程的碳中和，是一种具有发展前景的页岩气开采技术。日前，应国际能源领域知名期刊Energy & Fuels邀请，中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的沈伟军副研究员撰写了超临界CO₂增采页岩气和地质封存的研究进展与前景，相关成果以“Advances and Prospects of Supercritical CO₂ for Shale Gas Extraction and Geological Sequestration in Gas Shale Reservoirs”为题发表在能源领域知名期刊Energy & Fuels (2024, 38: 789-805)。

页岩储层孔隙结构复杂，微纳米孔隙发育，具有明显的多尺度性，流体赋存状态多样，页岩气的流动存在解吸、扩散、孔隙-微裂缝渗流、压裂缝流-固耦合渗流等多重运移机制。页岩气开采在不同尺度孔隙中存在多种传递过程，包括储层表面的气体解吸附、纳米级孔隙中的表面扩散和努森扩散、微孔中的滑脱效应等非达西现象以及大尺度裂缝中的非达西渗流等。多种传递机制并存和多尺度储层空间的特征决定了页岩气开发的复杂性，深化认识页岩储层内CO₂驱页岩气的微观运移和碳地质封存机理，是页岩气高效开发和CO₂大规模减排的关键。

针对当前页岩气开采的现状，中国科学院力学研究所深部资源与环境力学团队系统阐述超临界CO₂增采页岩气和地质封存的研究进展，论证页岩储层中气体的吸附机理，特别是CH₄吸附的影响因素、CH₄/CO₂吸附的差异和各种吸附模型的适用性，着重解析超临界CO₂压裂机理、注CO₂强化页岩气开采和地质封存的关键因素，包括CO₂起裂压力和压裂的影响等，阐释超临界CO₂强化页岩气开采和地质封存的主要挑战和未来前景。研究工作为准确地评估超临界CO₂增采页岩气和地质封存一体化奠定理论基础和关键技术支撑。

力学研究所沈伟军副研究员为论文第一作者和通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金（12172362）、中石油创新基金（2021DQ02-0204）和中国科学院青促会人才项目（2023024）等资助。

图1 注入停止时间与各封存机理贡献变化关系图

图2 二氧化碳封存能力随不同K_v/K_h比率变化关系图